煤礦信息化與智能化技術(shù)的應(yīng)用架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)探究

【摘要】? ? 作為一種重要的能源礦產(chǎn)資源，煤炭資源廣泛地應(yīng)用于化工、電力、鋼鐵等領(lǐng)域。盡管國內(nèi)煤炭產(chǎn)能較大，可是煤礦生產(chǎn)中較易發(fā)生安全事故，這不利于煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。而煤礦通過發(fā)揮信息化與智能化技術(shù)的優(yōu)勢，非常有利于對煤礦生產(chǎn)的實時監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制，并且能夠建設(shè)有效的災(zāi)害預(yù)警體系，從而有助于煤礦生產(chǎn)高效化和安全性的實現(xiàn)。為此，文章首先分析了煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特點及其對信息化與智能化技術(shù)的要求，然后以此為根據(jù)分析了煤礦信息化與智能化技術(shù)的具體應(yīng)用架構(gòu)，最后闡述了煤礦信息化與智能化的一些關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】? ? 煤礦? ? 信息化? ? 智能化? ? 技術(shù)

引言：

開采煤礦工作的危險系數(shù)非常高，礦井的環(huán)境條件十分特殊，其中存在易燃易爆氣體（如甲烷和一氧化碳等），這種工作環(huán)境對井下工作人員的生命健康造成了極大的威脅。為了降低煤礦事故的出現(xiàn)概率，煤礦企業(yè)應(yīng)在應(yīng)用智能化和信息化技術(shù)的基礎(chǔ)上降低工人數(shù)目，即以智能化技術(shù)手段監(jiān)測和預(yù)警礦井水、電、瓦斯等狀況，并且強(qiáng)化地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而建構(gòu)現(xiàn)代化的安全、高效礦井。鑒于此，煤礦領(lǐng)域應(yīng)用信息化與智能化技術(shù)具備十分重大的意義。

一、煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特點及其對信息化與智能化技術(shù)的要求

一是很多可燃性氣體存在于礦井中，因此電氣設(shè)備務(wù)必具備防爆特性，并且選用的通信和監(jiān)控設(shè)備應(yīng)具備非常高的安全系數(shù)，并且確保安全地傳輸電纜信號。并且，還應(yīng)確保相關(guān)通信設(shè)備發(fā)射功率為低功率，例如小于6W，以防范嚴(yán)重爆炸事故的形成。二是因為礦井空間的特點是非常狹小，所以采礦時需要集中放置一系列設(shè)備，特別是機(jī)電設(shè)備具備較大功率，混用一系列設(shè)備導(dǎo)致礦井具備尤為復(fù)雜的電磁環(huán)境。鑒于此，啟停一部分較大功率的機(jī)電設(shè)備會導(dǎo)致嚴(yán)重的火花現(xiàn)象，不僅對煤礦通信以及監(jiān)控等設(shè)備的正常工作形成不利影響，而且會形成嚴(yán)重的事故。三是伴隨礦井不斷推移采掘工作面，為了有效地監(jiān)控礦井作業(yè)情況，應(yīng)移動通信和監(jiān)控終端。并且，礦井工作場地不夠集中，以及各個礦井的間距較大，礦井中繼無線的傳輸距離不達(dá)標(biāo)，從而較難進(jìn)行信息化操作。為此，煤礦智能化和信息化的操作需要相應(yīng)的調(diào)度通信以及安全監(jiān)控等設(shè)施具備非常強(qiáng)的抗災(zāi)應(yīng)變特點，只有如此，才能夠大大地減小相關(guān)設(shè)備受到的不利影響。四是礦井生產(chǎn)中會突發(fā)一系列安全事故，像是瓦斯爆炸或者是頂板冒落問題，相關(guān)問題會使電纜斷裂的情況形成，以及對相關(guān)操作設(shè)施形成嚴(yán)重?fù)p壞。并且，礦井的運(yùn)行條件非常復(fù)雜，低溫度和大濕度是其顯著的特點。為此，有關(guān)的監(jiān)控和通信設(shè)備需要搞好防腐、防潮、防塵等工作，并且確保信息化操作設(shè)備的防護(hù)性能在IP54以上?？傊?，煤礦生產(chǎn)環(huán)境非常復(fù)雜和特殊，煤礦的信息化與智能化技術(shù)的應(yīng)用務(wù)必立足于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特點加以探究。

二、煤礦信息化與智能化技術(shù)的應(yīng)用架構(gòu)

2.1監(jiān)視監(jiān)控層和通信層

在信息化與智能化技術(shù)中，通信以及監(jiān)視監(jiān)控層屬于關(guān)鍵的應(yīng)用架構(gòu)，其中涵蓋煤礦水文、電動機(jī)車輸送、立井提升、排水、帶式輸送機(jī)等一系列的監(jiān)控系統(tǒng)，以及礦井人員定位信息等內(nèi)容。其中，通信系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容是調(diào)度通信系統(tǒng)、廣播通信系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)等，礦井監(jiān)視系統(tǒng)重點涵蓋圖像監(jiān)視以及智能識別等相關(guān)的系統(tǒng)。

（二）安全生產(chǎn)管理層

在煤礦井下，一系列有關(guān)安全的管理設(shè)備是安全生產(chǎn)管理層的范疇，像是智能監(jiān)控、防水管理、調(diào)度管理、生產(chǎn)管理等設(shè)備，并且隨著信息化技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和發(fā)展，安全生產(chǎn)管理層也逐步囊括綜合性分析管理、環(huán)保節(jié)能管理、煤質(zhì)管理等體系。

（三）決策支持層和經(jīng)營管理層

決策支持和經(jīng)驗管理層是指檔案管理、審計管理、設(shè)備管理、人力資源管理、物資管理等系統(tǒng)，應(yīng)用這些系統(tǒng)重點是分析煤礦開采的有關(guān)管理工作，并且從技術(shù)上支持煤礦整體工作的智能化發(fā)展。

三、煤礦信息化與智能化的一些關(guān)鍵技術(shù)

（一）建設(shè)礦井傳輸網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)

對于礦井開采工作而言，礦井傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)具備舉足輕重的地位和作用，為此，礦井傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需要達(dá)到下面的一些標(biāo)準(zhǔn)：一是有線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)需要具備良好的穩(wěn)定安全性、方便接入無線、傳輸帶寬大、抗干擾性能強(qiáng)等特性，為此，建設(shè)礦井傳輸網(wǎng)絡(luò)需要運(yùn)用雙樹型冗余或雙環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)，并且還應(yīng)達(dá)到發(fā)射功率小、設(shè)備體積小、中繼設(shè)備少等標(biāo)準(zhǔn)。二是礦井監(jiān)控設(shè)備需要與地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)互通，以及還應(yīng)結(jié)合高安全系數(shù)的網(wǎng)閘等設(shè)施提升網(wǎng)絡(luò)的安全性與可靠性水平。三是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置上，確保應(yīng)用的一些關(guān)鍵設(shè)備具備相應(yīng)的冗余功效，以及確保核心業(yè)務(wù)的服務(wù)器有著相應(yīng)的熱備份冗余特點。除此之外，應(yīng)確保核心交換機(jī)可以有效支持虛擬局域網(wǎng)VLAN的功能。

（二）設(shè)計礦井無線傳輸?shù)募夹g(shù)

煤礦領(lǐng)域后續(xù)的設(shè)計理念之一即無線傳輸技術(shù)設(shè)計，這也屬于實現(xiàn)信息化與智能化的重要方式。無線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)設(shè)計需要優(yōu)先應(yīng)用醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備中的頻段，不允許應(yīng)用無線電導(dǎo)航、廣播以及電視的頻率。當(dāng)然，在設(shè)計礦井圖像監(jiān)控的情況下首先考慮無線網(wǎng)絡(luò)和4G技術(shù)，不過，基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用的影響下，圖像監(jiān)控設(shè)備能夠應(yīng)用5G技術(shù)。并且，無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用還需要準(zhǔn)確地定位礦井生產(chǎn)中的有關(guān)運(yùn)動物體，像是定位礦井工人的移動特點、電動車的運(yùn)行目標(biāo)、膠輪車的運(yùn)動軌跡等，煤礦物聯(lián)網(wǎng)和防碰撞管理設(shè)備適宜應(yīng)用射頻識別技術(shù)和無線技術(shù)。

（三）設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)

在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)屬于一個重要的系統(tǒng)，在監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計中需要達(dá)到下面的標(biāo)準(zhǔn)：一是當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)為至少10km的傳輸距離時，倘若突發(fā)現(xiàn)象發(fā)生在礦井中，那么確保礦井具備備用電源。此外，為了使監(jiān)控系統(tǒng)尤為順暢地運(yùn)行，設(shè)計的主干網(wǎng)絡(luò)需要應(yīng)用至少千兆的以太網(wǎng)絡(luò)（具備冗余功能）。二是在礦井監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，適宜應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場的總接口（FF、CAN等）接入，進(jìn)而提升監(jiān)控系統(tǒng)的流暢性。三是基于科技的持續(xù)進(jìn)步，GIS與GPS技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，為此，需要將有關(guān)技術(shù)應(yīng)用于礦井監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中。并且，以組態(tài)軟件充當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，以及確保其具備GIS功能。此外，還需要確保礦井監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的安全性，在具體應(yīng)用時能夠結(jié)合網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備（網(wǎng)閘等）連接地面其他系統(tǒng)。四是礦用激光甲烷監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)是一種有效防范瓦斯的技術(shù)，其應(yīng)用了斷電控制和甲烷監(jiān)測的功能，可以顯著降低煤礦安全事故發(fā)生率。具體來講，該技術(shù)的運(yùn)行理論是應(yīng)用了紅外、熱導(dǎo)、激光、熱催化等技術(shù)，能夠?qū)淄榈臐舛冗M(jìn)行全面和系統(tǒng)地監(jiān)測，以及其響應(yīng)非常迅速，從而能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦甲烷監(jiān)測的現(xiàn)實需要。

（四）設(shè)計監(jiān)視與通信系統(tǒng)技術(shù)

煤礦生產(chǎn)中的監(jiān)視與通信系統(tǒng)中涵蓋有線調(diào)度通信、礦井廣播通信、礦井移動通信等系統(tǒng)。為此，在監(jiān)視和通信系統(tǒng)的設(shè)計中能夠進(jìn)行全面的設(shè)計，以使礦井的整體通信系統(tǒng)形成，進(jìn)而可以很好地監(jiān)視礦井生產(chǎn)整體。在應(yīng)用監(jiān)視和通信系統(tǒng)的情況下禁止以煤礦應(yīng)用的IP電話通信系統(tǒng)取代有線調(diào)度通信系統(tǒng)，并且確保礦井中應(yīng)用的電話機(jī)為防爆安全型電話機(jī)。與此同時，需要以無線或光纜傳輸圖像監(jiān)視系統(tǒng)，基于5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境下，設(shè)計的圖像監(jiān)視系統(tǒng)需要發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的作用，只有這樣，才能夠大大提高圖像傳輸速度和效率，以及確保圖像監(jiān)視系統(tǒng)具備較強(qiáng)的智能識別作用。

（五）開發(fā)精準(zhǔn)地質(zhì)探測技術(shù)

煤礦資源開發(fā)的前提和基礎(chǔ)是煤層探測工作，由一定程度上來講，煤礦資源開發(fā)的效率和安全受到煤礦探測精度、可靠性的直接影響。傳統(tǒng)的開采煤礦模式中，基于裝備以及技術(shù)水平不高的影響下，無論是鉆孔，還是化探和物探等，其探測精度不夠高，所以這不利于煤礦智能化的發(fā)展。鑒于此，在煤礦信息化與智能化的檢索中，一是需要超前預(yù)測綜采工作面前方的地質(zhì)，這是煤礦智能化技術(shù)應(yīng)用的重要方面，需要使研發(fā)的煤礦地質(zhì)綜合探測裝備或技術(shù)具備隨探、隨采、隨掘等特色，并且可以更新當(dāng)今煤礦領(lǐng)域應(yīng)用的探測數(shù)據(jù)動態(tài)解釋技術(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)信息探測時效性的綜合提升。二是還應(yīng)在工作中有效建設(shè)探測綜采工作面信息的大數(shù)據(jù)中心，這樣能夠?qū)γ旱V的所有信息進(jìn)行尤為仔細(xì)地分析，確保精準(zhǔn)地探測綜采工作面前面的地質(zhì)狀況。并且，還應(yīng)實現(xiàn)綜采工作面采動應(yīng)力定量探測技術(shù)的完善，以及完善有關(guān)的設(shè)施裝備，以精準(zhǔn)化地探測應(yīng)力異常范圍。在當(dāng)前越來越進(jìn)步的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中，GIS技術(shù)的應(yīng)用越來越成熟，其密切聯(lián)系各個領(lǐng)域的發(fā)展。為此，煤礦智能化的發(fā)展中能夠?qū)?D-GIS 的綜合探測及其應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行深度研發(fā)，并且結(jié)合當(dāng)今大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢和方向建設(shè)相應(yīng)的時空狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，其中涵蓋大量的礦井信息，進(jìn)而全面探究礦井歷史數(shù)據(jù)信息，以及論證和分析后續(xù)的走勢，還需要將綜采工作面地質(zhì)信息綜合管理系統(tǒng)增加在該系統(tǒng)設(shè)計中，這樣能夠給人們呈現(xiàn)三維動畫的形式，這樣一來，不但能夠服務(wù)于煤礦開采工作，而且可以將精準(zhǔn)的地質(zhì)探測裝備和技術(shù)提供給礦井的智能化綜采工作中。

四、結(jié)束語

綜上所述，隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的逐步提升，煤礦企業(yè)在綠色和安全開采觀念的影響下，需要注重研發(fā)水平的持續(xù)提升，立足于智能化和信息化持續(xù)攻克技術(shù)難題，不斷升級和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)方式或手段的創(chuàng)新，通過對礦井傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)、監(jiān)視與通信系統(tǒng)技術(shù)，以及精準(zhǔn)地質(zhì)探測技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，促進(jìn)煤礦企業(yè)的高效化、綠色化、安全化生產(chǎn)。

作者單位：董國梁? ? 兗州煤業(yè)股份有限公司信息化中心

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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